XST-PhotoNet系列 物候与植被指数监测相机

物候相机应用于生物多样性监测的可行性探讨

—-屈永华 微信公众号《地遥宝》

我一直认为，物候相机并不是只能监测物候。从字面上看，物候相机理所当然是用来监测物候，可以从群体物候的时间序列曲线的拐点提取关键物候期，从植株器官生长发育状态识别中构建微观生物节律。但是，物候相机还应该有更多的非物候应用。从本质上来看，物候相机就是对人类眼睛观测距离与观测尺度的延伸。 有关物候相机与生物多样性的问题，虽然普遍感觉物候相机应该能为生物多样性做些工作，但是能做什么工作以及如何做，仍然存在一些困惑。恰巧我最近看到“Basicand Applied Ecology”上关于多传感器物种多样性自动化监测的综述论文(Wägele et al., 2022) ，对我颇有启发。作者认为，已有国际生物多样性保护公约目标没有完全达到，其中重要的原因是缺乏可靠高分辨率长时间大区域的生物多样性观测数据。基于此，作者提出了构建一种可以独立工作的多传感器融合且具有自动监测、即时分析、无线传输的生物多样性自动观测站（简称AMMOD）的设想，系统组成如下图所示。

AMMOD融合了声音、图像、气体传感器，期望能够对大型动物、飞禽、昆虫、孢粉等物种的自动观测、自动分类，甚至包括分类学专家的知识库，其目标是希望能够像自动气象站一样来对生物多样性自动观测，通过多站联网形成区域性或者全球性生物多样性观测网络。

可惜在这篇综述论文中，作者重点关注了动物类的物种多样性，对应植物类关注较少，我今天只说物候相机对植物的物种多样性监测应用潜力。

首先，物候相机可以用于构建生物多样性指数。我的硕士研究生周美华同学曾经在2018年进行过用遥感方法监测生物多样性的方法（图2）。从遥感视角计算生物多样性指数，其理论基础是利用光谱指数与地面生物丰富度指数建立回归关系，进而从更大空间尺度上与更长时间尺度上来分析地表生物多样性的时空分布规律。物候相机作为近地遥感的重要观测手段，自然也可以用于生物多样性指数监测，例如我们研制的物候相机，具有多光谱观测能力，可以同时获取到红绿蓝和近红外图像，相机可以输出NDVI与EVI，用于生物多样性指数监测是最为直接的途径。

其次，物候相机可以用于物种分类与计数。利用高清晰分辨率相机，可以获取多分辨率植被照片。尤其是我们最近研发的带有自动云台和多倍变焦镜头物候相机，能够在同一地点首先拍摄一个大尺度总体图像（长焦全景图），然后利用自动云台转动一定角度，同时拉近焦距，可以定向拍摄单体植株高倍放大图（短焦个体图），无论是全景图还是个体图，都可以是多光谱的。这样，我们就可以利用全景图计算样方的生物多样性指数，利用个体图，基于自动分类算法，识别物种类型，并利用多个个体图可以进一步计算样方内的物种个数。

     当然，上面我仅仅从观测的角度提出了物候相机可以获取用于植被生物多样性研究。然而，从数据到物种的识别离不开图像分类算法，充分利用计算视觉、机器学习技术来提高图像分类的精度与效率将是充分发挥大量观测数据价值的重要方向。

参考文献 Wägele,J. W. et al. (2022) ‘Towards a multisensor station for automatedbiodiversity monitoring’, Basic and Applied Ecology, 59, pp. 105–138.doi: 10.1016/J.BAAE.2022.01.003.